TY  - THES
A1  - Mohr, Christian Heinrich
T1  - Hydrological and erosion responses to man-made and natural disturbances : insights from forested catchments in South-central Chile
T1  - Hydrologische und Erosions-Reaktionen auf anthropogene und natürliche Störungen : Einblicke aus bewaldeten Einzugsgebieten im südlichen Zentralchile
N2  - Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales.
N2  - Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte.
KW  - Hydrologie
KW  - Erosion
KW  - Chile
KW  - Waldbewirtschaftung
KW  - Erdbeben
KW  - hydrology
KW  - erosion
KW  - Chile
KW  - forest management
KW  - earthquake
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70146
ER  - 
TY  - THES
A1  - Buchhorn, Marcel
T1  - Ground-based hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization of Arctic tundra vegetation communities : field spectroscopy and field spectro-goniometry of Siberian and Alaskan tundra in preparation of the EnMAP satellite mission
T1  - Bodengestützte Hyperspektrale und Spektro-Direktionale Reflektanz-Charakterisierung von Vegetationsgesellschaften der arktischen Tundra : Geländespektrometrie und Geländespektro-Goniometrie von Tundra in Sibirien und Alaska in Vorbereitung auf die EnMAP Satellitenmission
N2  - The Arctic tundra, covering approx. 5.5 % of the Earth’s land surface, is one of the last ecosystems remaining closest to its untouched condition. Remote sensing is able to provide information at regular time intervals and large spatial scales on the structure and function of Arctic ecosystems. But almost all natural surfaces reveal individual anisotropic reflectance behaviors, which can be described by the bidirectional reflectance distribution function (BRDF). This effect can cause significant changes in the measured surface reflectance depending on solar illumination and sensor viewing geometries. The aim of this thesis is the hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization of important Arctic tundra vegetation communities at representative Siberian and Alaskan tundra sites as basis for the extraction of vegetation parameters, and the normalization of BRDF effects in off-nadir and multi-temporal remote sensing data. Moreover, in preparation for the upcoming German EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) satellite mission, the understanding of BRDF effects in Arctic tundra is essential for the retrieval of high quality, consistent and therefore comparable datasets. The research in this doctoral thesis is based on field spectroscopic and field spectro-goniometric investigations of representative Siberian and Alaskan measurement grids. The first objective of this thesis was the development of a lightweight, transportable, and easily managed field spectro-goniometer system which nevertheless provides reliable spectro-directional data. I developed the Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations (ManTIS). The outcome of the field spectro-radiometrical measurements at the Low Arctic study sites along important environmental gradients (regional climate, soil pH, toposequence, and soil moisture) show that the different plant communities can be distinguished by their nadir-view reflectance spectra. The results especially reveal separation possibilities between the different tundra vegetation communities in the visible (VIS) blue and red wavelength regions. Additionally, the near-infrared (NIR) shoulder and NIR reflectance plateau, despite their relatively low values due to the low structure of tundra vegetation, are still valuable information sources and can separate communities according to their biomass and vegetation structure. In general, all different tundra plant communities show: (i) low maximum NIR reflectance; (ii) a weakly or nonexistent visible green reflectance peak in the VIS spectrum; (iii) a narrow “red-edge” region between the red and NIR wavelength regions; and (iv) no distinct NIR reflectance plateau. These common nadir-view reflectance characteristics are essential for the understanding of the variability of BRDF effects in Arctic tundra. None of the analyzed tundra communities showed an even closely isotropic reflectance behavior. In general, tundra vegetation communities: (i) usually show the highest BRDF effects in the solar principal plane; (ii) usually show the reflectance maximum in the backward viewing directions, and the reflectance minimum in the nadir to forward viewing directions; (iii) usually have a higher degree of reflectance anisotropy in the VIS wavelength region than in the NIR wavelength region; and (iv) show a more bowl-shaped reflectance distribution in longer wavelength bands (>700 nm). The results of the analysis of the influence of high sun zenith angles on the reflectance anisotropy show that with increasing sun zenith angles, the reflectance anisotropy changes to azimuthally symmetrical, bowl-shaped reflectance distributions with the lowest reflectance values in the nadir view position. The spectro-directional analyses also show that remote sensing products such as the NDVI or relative absorption depth products are strongly influenced by BRDF effects, and that the anisotropic characteristics of the remote sensing products can significantly differ from the observed BRDF effects in the original reflectance data. But the results further show that the NDVI can minimize view angle effects relative to the contrary spectro-directional effects in the red and NIR bands. For the researched tundra plant communities, the overall difference of the off-nadir NDVI values compared to the nadir value increases with increasing sensor viewing angles, but on average never exceeds 10 %. In conclusion, this study shows that changes in the illumination-target-viewing geometry directly lead to an altering of the reflectance spectra of Arctic tundra communities according to their object-specific BRDFs. Since the different tundra communities show only small, but nonetheless significant differences in the surface reflectance, it is important to include spectro-directional reflectance characteristics in the algorithm development for remote sensing products.
N2  - Die arktische Tundra ist mit circa 5,5 % der Landoberfläche eines der letzten großen verbliebenen fast unberührten Ökosysteme unserer Erde. Nur die Fernerkundung ist in der Lage, benötigte Informationen über Struktur und Zustand dieses Ökosystems großräumig und in regelmäßigen Zeitabständen zur Verfügung zu stellen. Aber fast alle natürlichen Oberflächen zeigen individuelle anisotrope Reflexionsverhaltensweisen, welche durch die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (englisch: BRDF) beschrieben werden können. Dieser Effekt kann zu erheblichen Veränderungen im gemessenen Reflexionsgrad der Oberfläche in Abhängigkeit von den solaren Beleuchtung- und Blickrichtungsgeometrien führen. Zielstellung dieser Arbeit ist die hyperspektrale und spektro-direktionale Charakterisierung der Oberflächenreflexion wichtiger und repräsentativer arktischer Pflanzengesellschaften in Sibirien und Alaska, als Grundlage für die Extraktion von Vegetationsparametern und die Normalisierung von BRDF-Effekten in Off-Nadir und multi-temporalen Fernerkundungsdaten. In Vorbereitung auf die bevorstehende nationale EnMAP Satellitenmission ist ein Grundverständnis der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra von wesentlicher Bedeutung für die Erstellung von hochqualitativen, konsistenten und damit vergleichbaren Datensätzen. Die in dieser Arbeit genutzten Daten beruhen auf geländespektroskopische und geländespektro-goniometrische Untersuchungen von repräsentativen Messflächen in Sibirien und Alaska. Die Entwicklung eines leichten, transportablen und einfach anzuwendenden Geländespektro-Goniometers, welches dennoch zuverlässig Daten liefert, war die erste Aufgabe. Hierfür habe ich ein Gerät mit der Bezeichnung ManTIS („Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations“) entwickelt. Die Ergebnisse der geländespektro-radiometrischen Messungen entlang wichtiger ökologischer Gradienten (regionales Klima, pH-Wert des Bodens, Bodenfeuchte, Toposequenz) zeigen, dass die Pflanzengesellschaften sich anhand ihrer Nadir-Reflektanzen unterscheiden lassen. Insbesondere die Möglichkeit der Differenzierung im sichtbaren (VIS) blauen und roten Wellenlängenbereich. Die Nah-Infrarot (NIR) Schulter und das NIR-Reflektanzplateau sind trotz ihrer niedrigeren Reflektanzwerte eine wertvolle Informationsquelle, die genutzt werden kann um die Pflanzengesellschaften entsprechend ihrer Biomasse und der Vegetationsstruktur voneinander zu unterscheiden. Im Allgemeinen zeigen die verschiedenen Pflanzengesellschaften der Tundra: (i) eine niedrige maximale NIR-Reflektanz; (ii) ein schwaches oder nicht sichtbares lokales Reflektanzmaximum im grünen VIS-Spektrum; (iii) einen schmalen „red-edge“ Bereich zwischen dem roten und NIR-Wellenlängenbereich und (iv) kein deutliches NIR-Reflektanzplateau. Diese gemeinsamen Nadir-Reflektanzeigenschaften sind entscheidend für das Verständnis der Variabilität der BRDF-Effekte in der arktischen Tundra. Keine der untersuchten Pflanzengesellschaften wies isotrope Reflektanzeigenschaften auf. Im Allgemeinen zeigt Tundravegetation: (i) die höchsten BRDF-Effekte in der solaren Hauptebene; (ii) die maximalen Reflexionsgrade in den rückwärts gerichteten Blickrichtungen; (iii) höhere Grade an Anisotropie im VIS-Spektrum als im NIR-Spektrum und (iv) schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen in den längeren Wellenlängenbereichen (>700 nm). Die Analyse des Einflusses von hohen Sonnenzenitwinkeln auf die Anisotropie der Rückstrahlung zeigt, dass sich mit zunehmenden Sonnenzenitwinkeln die Anisotropie-Eigenschaften in azimutal-symmetrische schüsselförmige Reflexionsgradverteilungen ändern. Auch ergeben die spektro-direktionalen Analysen, dass Fernerkundungsprodukte wie der NDVI oder die relative Absorptionstiefe stark von BRDF-Effekten beeinflusst werden. Die anisotropen Eigenschaften der Fernerkundungsprodukte können sich erheblich von den beobachteten BRDF-Effekten in den ursprünglichen Reflektanzdaten unterscheiden. Auch lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass der NDVI relativ gesehen die blickrichtungsabhängigen BRDF-Effekte minimieren kann. Für die untersuchten Pflanzengesellschaften der Tundra weichen die Off-Nadir NDVI-Werte nie mehr als 10 % von den Nadir-NDVI-Werten ab. Im Resümee dieser Studie wird nachgewiesen, dass Änderungen in der Sonnen-Objekt-Sensor-Geometrie direkt zu Reflektanzveränderungen in den Fernerkundungsdaten von arktischen Pflanzengesellschaften der Tundra entsprechend ihrer objekt-spezifischen BRDF-Charakteristiken führen. Da die verschiedenen Arten der Tundravegetation nur kleine, aber signifikante Unterschiede in der Oberflächenreflektanz zeigen, ist es wichtig die spektro-direktionalen Reflexionseigenschaften bei der Entwicklung von Algorithmen für Fernerkundungsprodukte zu berücksichtigen.
KW  - spektro-direktional
KW  - Fernerkundung
KW  - arktische Tundra
KW  - BRDF
KW  - EnMAP
KW  - spectro-directional
KW  - remote sensing
KW  - Arctic tundra
KW  - BRDF
KW  - EnMAP
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70189
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vogel, Kristin
T1  - Applications of Bayesian networks in natural hazard assessments
T1  - Anwendungen von Bayes'schen Netzen bei der Einschätzung von Naturgefahren
N2  - Even though quite different in occurrence and consequences, from a modeling perspective many natural hazards share similar properties and challenges. Their complex nature as well as lacking knowledge about their driving forces and potential effects make their analysis demanding: uncertainty about the modeling framework, inaccurate or incomplete event observations and the intrinsic randomness of the natural phenomenon add up to different interacting layers of uncertainty, which require a careful handling. Nevertheless deterministic approaches are still widely used in natural hazard assessments, holding the risk of underestimating the hazard with disastrous effects. The all-round probabilistic framework of Bayesian networks constitutes an attractive alternative. In contrast to deterministic proceedings, it treats response variables as well as explanatory variables as random variables making no difference between input and output variables. Using a graphical representation Bayesian networks encode the dependency relations between the variables in a directed acyclic graph: variables are represented as nodes and (in-)dependencies between variables as (missing) edges between the nodes. The joint distribution of all variables can thus be described by decomposing it, according to the depicted independences, into a product of local conditional probability distributions, which are defined by the parameters of the Bayesian network. In the framework of this thesis the Bayesian network approach is applied to different natural hazard domains (i.e. seismic hazard, flood damage and landslide assessments). Learning the network structure and parameters from data, Bayesian networks reveal relevant dependency relations between the included variables and help to gain knowledge about the underlying processes. The problem of Bayesian network learning is cast in a Bayesian framework, considering the network structure and parameters as random variables itself and searching for the most likely combination of both, which corresponds to the maximum a posteriori (MAP score) of their joint distribution given the observed data. Although well studied in theory the learning of Bayesian networks based on real-world data is usually not straight forward and requires an adoption of existing algorithms. Typically arising problems are the handling of continuous variables, incomplete observations and the interaction of both. Working with continuous distributions requires assumptions about the allowed families of distributions. To "let the data speak" and avoid wrong assumptions, continuous variables are instead discretized here, thus allowing for a completely data-driven and distribution-free learning. An extension of the MAP score, considering the discretization as random variable as well, is developed for an automatic multivariate discretization, that takes interactions between the variables into account. The discretization process is nested into the network learning and requires several iterations. Having to face incomplete observations on top, this may pose a computational burden. Iterative proceedings for missing value estimation become quickly infeasible. A more efficient albeit approximate method is used instead, estimating the missing values based only on the observations of variables directly interacting with the missing variable. Moreover natural hazard assessments often have a primary interest in a certain target variable. The discretization learned for this variable does not always have the required resolution for a good prediction performance. Finer resolutions for (conditional) continuous distributions are achieved with continuous approximations subsequent to the Bayesian network learning, using kernel density estimations or mixtures of truncated exponential functions. All our proceedings are completely data-driven. We thus avoid assumptions that require expert knowledge and instead provide domain independent solutions, that are applicable not only in other natural hazard assessments, but in a variety of domains struggling with uncertainties.
N2  - Obwohl Naturgefahren in ihren Ursachen, Erscheinungen und Auswirkungen grundlegend verschieden sind, teilen sie doch viele Gemeinsamkeiten und Herausforderungen, wenn es um ihre Modellierung geht. Fehlendes Wissen über die zugrunde liegenden Kräfte und deren komplexes Zusammenwirken erschweren die Wahl einer geeigneten Modellstruktur. Hinzu kommen ungenaue und unvollständige Beobachtungsdaten sowie dem Naturereignis innewohnende Zufallsprozesse. All diese verschiedenen, miteinander interagierende Aspekte von Unsicherheit erfordern eine sorgfältige Betrachtung, um fehlerhafte und verharmlosende Einschätzungen von Naturgefahren zu vermeiden. Dennoch sind deterministische Vorgehensweisen in Gefährdungsanalysen weit verbreitet. Bayessche Netze betrachten die Probleme aus wahrscheinlichkeitstheoretischer Sicht und bieten somit eine sinnvolle Alternative zu deterministischen Verfahren. Alle vom Zufall beeinflussten Größen werden hierbei als Zufallsvariablen angesehen. Die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung aller Variablen beschreibt das Zusammenwirken der verschiedenen Einflussgrößen und die zugehörige Unsicherheit/Zufälligkeit. Die Abhängigkeitsstrukturen der Variablen können durch eine grafische Darstellung abgebildet werden. Die Variablen werden dabei als Knoten in einem Graphen/Netzwerk dargestellt und die (Un-)Abhängigkeiten zwischen den Variablen als (fehlende) Verbindungen zwischen diesen Knoten. Die dargestellten Unabhängigkeiten veranschaulichen, wie sich die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung in ein Produkt lokaler, bedingter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zerlegen lässt. Im Verlauf dieser Arbeit werden verschiedene Naturgefahren (Erdbeben, Hochwasser und Bergstürze) betrachtet und mit Bayesschen Netzen modelliert. Dazu wird jeweils nach der Netzwerkstruktur gesucht, welche die Abhängigkeiten der Variablen am besten beschreibt. Außerdem werden die Parameter der lokalen, bedingten Wahrscheinlichkeitsverteilungen geschätzt, um das Bayessche Netz und dessen zugehörige gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung vollständig zu bestimmen. Die Definition des Bayesschen Netzes kann auf Grundlage von Expertenwissen erfolgen oder - so wie in dieser Arbeit - anhand von Beobachtungsdaten des zu untersuchenden Naturereignisses. Die hier verwendeten Methoden wählen Netzwerkstruktur und Parameter so, dass die daraus resultierende Wahrscheinlichkeitsverteilung den beobachteten Daten eine möglichst große Wahrscheinlichkeit zuspricht. Da dieses Vorgehen keine Expertenwissen voraussetzt, ist es universell in verschiedenen Gebieten der Gefährdungsanalyse einsetzbar. Trotz umfangreicher Forschung zu diesem Thema ist das Bestimmen von Bayesschen Netzen basierend auf Beobachtungsdaten nicht ohne Schwierigkeiten. Typische Herausforderungen stellen die Handhabung stetiger Variablen und unvollständiger Datensätze dar. Beide Probleme werden in dieser Arbeit behandelt. Es werden Lösungsansätze entwickelt und in den Anwendungsbeispielen eingesetzt. Eine Kernfrage ist hierbei die Komplexität des Algorithmus. Besonders wenn sowohl stetige Variablen als auch unvollständige Datensätze in Kombination auftreten, sind effizient arbeitende Verfahren gefragt. Die hierzu in dieser Arbeit entwickelten Methoden ermöglichen die Verarbeitung von großen Datensätze mit stetigen Variablen und unvollständigen Beobachtungen und leisten damit einen wichtigen Beitrag für die wahrscheinlichkeitstheoretische Gefährdungsanalyse.
KW  - Bayes'sche Netze
KW  - Naturgefahren
KW  - Gefahrenanalyse
KW  - Unsicherheiten
KW  - Hochwasser
KW  - Bayesian networks
KW  - natural hazards
KW  - hazard assessments
KW  - uncertainties
KW  - flood events
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69777
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cherubini, Yvonne
T1  - Influence of faults on the 3D coupled fluid and heat transport
N2  - Da geologische Störungen können als Grundwasserleiter, -Barrieren oder als gemischte leitende /stauende Fluidsysteme wirken. Aufgrund dessen können Störungen maßgeblich den Grundwasserfluss im Untergrund beeinflussen, welcher deutliche Veränderungen des tiefen thermischen Feldes bewirken kann. Grundwasserdynamik und Temperaturveränderungen sind wiederum entscheidende Faktoren für die Exploration geothermischer Energie. Diese Studie untersuchte den Einfluss von Störungen auf das Fluidsystem und das thermische Feld im Untergrund. Sie erforschte die physikalischen Prozesse, welche das Fluidverhalten und die Temperaturverteilung in Störungen und in den umgebenden Gesteinen. Dazu wurden 3D Finite Elemente Simulationen des gekoppelten Fluid und Wärmetransports für synthetische sowie reale Modelszenarien auf unterschiedlichen Skalen durchgeführt. Um den Einfluss einer schräg einfallenden Störung systematisch durch die schrittweise Veränderung der hydraulischen Öffnungsweite und der Permeabilität, zu untersuchen, wurde ein klein-skaliges synthetisches Modell entwickelt. Ein inverser linearer Zusammenhang wurde festgestellt, welcher zeigt, dass sich die Fluidgeschwindigkeit in der Störung jeweils um ~1e-01 m/s verringert, wenn die Öffnungsweite der Störung um jeweils eine Magnitude vergrößert wird. Ein hoher Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebender Matrix begünstigt die Fluidadvektion hin zur Störung und führt zu ausgeprägten Druck- und Temperaturveränderungen innerhalb und um die Störung herum. Bei geringem Permeabilitätskontrast zwischen Störung und umgebendem Gestein findet hingegen kein Fluidfluss in der Störung statt, wobei das hydrostatische Druck- sowie das Temperaturfeld unverändert bleiben. Auf Grundlage der synthetischen Modellierungsergebnisse wurde der Einfluss von Störungen auf einer größeren Skala anhand eines komplexeren (realen) geologischen Systems analysiert. Dabei handelt es sich um ein 3D Modell des Geothermiestandortes Groß Schönebeck, der ca. 40 km nördlich von Berlin liegt. Die Integration von einer permeablen und drei impermeablen Hauptstörungen, zeigte unterschiedlich starke Einflüsse auf Fluidzirkulation, Temperatur – und Druckfeld. Die modellierte konvektive Zirkulation in der permeablen Störung verändert das thermische Feld stark (bis zu 15 K). In den gering durchlässigen Störungen wird die Wärme ausschließlich durch Diffusion geleitet. Der konduktive Wärmetransport beeinflusst das thermische Feld nicht, bewirkt jedoch lokale Veränderungen des hydrostatischen Druckfeldes. Um den Einfluss großer Störungszonen mit kilometerweitem vertikalen Versatz auf das geothermische Feld der Beckenskala zu untersuchen, wurden gekoppelte Fluid- und Wärmetransportsimulationen für ein 3D Strukturmodell des Gebietes Brandenburg durchgeführt (Noack et al. 2010; 2013). Bezüglich der Störungspermeabilität wurden verschiedene geologische Szenarien modelliert, von denen zwei Endgliedermodelle ausgewertet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die undurchlässigen Störungen den Fluidfluss nur lokal beeinflussen. Da sie als hydraulische Barrieren wirken, wird der Fluidfluss mir sehr geringen Geschwindigkeiten entlang der Störungen innerhalb eines Bereichs von ~ 1 km auf jeder Seite umgelenkt. Die modellierten lokalen Veränderungen des Grundwasserzirkulationssystems haben keinen beobachtbaren Effekt auf das Temperaturfeld. Hingegen erzeugen permeable Störungszonen eine ausgeprägte thermische Signatur innerhalb eines Einflussbereichs von ~ 2.4-8.8 km in -1000 m Tiefe und ~6-12 km in -3000 m Tiefe. Diese thermische Signatur, in der sich kältere und wärmere Temperaturbereiche abwechseln, wird durch auf- und abwärts gerichteten Fluidfluss innerhalb der Störung verursacht, der grundsätzlich durch existierende Gradienten in der hydraulischen Druckhöhe angetrieben wird. Alle Studien haben gezeigt, dass Störungen einen beachtlichen Einfluss auf den Fluid-, und Wärmefluss haben. Es stellte sich heraus, dass die Permeabilität in der Störung und in den umgebenden geologischen Schichten so wie der spezifische geologische Rahmen entscheidende Faktoren in der Ausbildung verschiedener Wärmetransportmechanismen sind, die sich in Störungen entwickeln können. Die von permeablen Störungen verursachten Temperaturveränderungen können lokal, jedoch groß sein, genauso wie die durch hydraulisch leitende und nichtleitende Störungen hervorgerufenen Veränderungen des Fluidystems. Letztlich haben die Simulationen für die unterschiedlich skalierten Modelle gezeigt, dass die Ergebnisse sich nicht aufeinander übertragen lassen und dass es notwendig ist, jeden geologischen Rahmen hinsichtlich Konfiguration und Größenskala gesondert zu betrachten. Abschließend hat diese Studie demonstriert, dass die Betrachtung von Störungen in 3D Finiten Elementen Modellen für die Simulation von gekoppeltem Fluid- und Wärmetransport auf unterschiedlichen Skalen möglich ist. Da diese Art von numerischen Simulationen sowohl die geologische Struktur des Untergrunds sowie die im Erdinnern ablaufenden physikalischen Prozesse integriert, können sie einen wertvollen Beitrag leisten, indem sie Feld- und Laborgestützte Untersuchungen vervollständigen.
N2  - Faults can act as conduits, barriers or mixed conduit/barrier systems to fluid flow. Therefore, faults may significantly influence fluid flow regimes operating in the subsurface, possibly resulting in distinct variations of the deep thermal field. Both, flow dynamics and temperature changes are in turn crucial factors that need to be taken into account for geothermal energy exploration. This study investigated the influence of faults on the subsurface fluid system and thermal field and explored the processes controlling fluid behavior and thermal distribution both within host rocks and faults. For this purpose, 3D finite element simulations of coupled fluid and heat transport have been carried out, both for synthetic and real-case model scenarios on different scales. A small-scale synthetic model was developed to systematically assess the impact of an inclined fault by changing gradually its hydraulic width and its permeability within the simulations. An observed linear inverse relationship revealed that changing the fault width by one order of magnitude results in a fluid velocity decrease (~1e-01 m/s) within the fault. A high permeability contrast between fault and matrix favors fluid advection into the fault and leads to pronounced pressure and temperature changes in and around the same domain. When the permeability contrast between fault domain and host rock is low, however, no fluid flow is observed in the fault, thus resulting in undisturbed hydrostatic pressure and temperature fields. On the basis of these synthetic fault modelling results, the influence of faults on a larger scale have been analyzed within a more complex (real-case) geological setting,- a 3D model of the geothermal site Groß Schönebeck , located ~40 km north of Berlin. The integration of one permeable and three impermeable major faults, resulted in distinct changes observed in the local fluid circulation, thermal and pressure field. Modelled convective circulation within the permeable fault decisively modifies the thermal field (up to 15 K). Within the low permeable faults, heat is transferred only by conduction, inducing no thermal imprint but local deviations of the hydrostatic pressure field. To investigate the impact of major fault zones on the basin-scale geothermal field, coupled fluid and heat transport simulations have been conducted for a 3D structural model for Brandenburg region (Noack et al. 2010; 2013). Different geological scenarios in terms of modelled fault permeability have been carried out of which two end member models are analyzed. The results showed that tight fault zones affect the flow field locally. Acting as hydraulic barriers, fluid flow is deviated with very low velocities along them within a range of ~ 1 km on either sides. The modelled local changes in the groundwater circulation system have no considerable effect on the temperature field. By contrast, permeable fault zones induce a pronounced signature on the thermal field extending over a distance of ~ 2.4-8.8 km at -1000 m depth and ~6-12 km at -3000 m depth. This thermal signature, characterized by alternating cooler and hotter temperature domains, is controlled by up- and downward directed flow within the fault domain, principally driven by existing hydraulic head gradients. All studies demonstrated that faults have a considerable impact on the fluid and heat flow. The permeability in faults and surrounding geological layers as well as the specific geological setting turned out to be crucial factors in controlling the different kinds of heat transfer mechanisms that may evolve in faults. Temperature variations caused by permeable faults may be local but significant as well as changes in fluid dynamics by both conduits and barriers. Thus, the results demonstrated the importance to consider faults in geothermal energy exploration. In the final analysis, the simulations for the small-, regional- and basin-scale models showed that the outcomes cannot be transferred by upscaling and that it is necessary to consider each geological setting separately with respect to its configuration and scale dimension. In summary, this study demonstrated that the consideration of faults in 3D finite element models for coupled fluid and heat transport simulations on different scales is feasible. As these type of numerical simulations integrate both, the structural setting of the subsurface and the physical processes controlling subsurface transport, the outcomes of this thesis may provide positive contributions in that they valuably complement field- and laboratory-based investigations.
T2  - Der Einfluss von Störungen auf den 3D gekoppelten Fluid- und Wärmetransport
KW  - geologische Störungen
KW  - 3D numerische Modelle
KW  - gekoppelter Fluid-und Wärmetransport
KW  - Geothermie
KW  - Brandenburg
KW  - faults
KW  - 3D numerical models
KW  - coupled fluid and heat transport
KW  - geothermics
KW  - Brandenburg
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69755
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schütz, Felina
T1  - Surface heat flow and lithospheric thermal structure of the northwestern Arabian Plate
T1  - Oberflächenwärmefluß und thermische Struktur der Lithosphäre der nordwestlichen Arabischen Platte
N2  - The surface heat flow (qs) is paramount for modeling the thermal structure of the lithosphere. Changes in the qs over a distinct lithospheric unit are normally directly reflecting changes in the crustal composition and therewith the radiogenic heat budget (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster and Förster, 2000; Mareschal and Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok and Chapman, 2011, and references therein) or, less usual, changes in the mantle heat flow (e.g., Pollack and Chapman, 1977). Knowledge of this physical property is therefore of great interest for both academic research and the energy industry. The present study focuses on the qs of central and southern Israel as part of the Sinai Microplate (SM). Having formed during Oligocene to Miocene rifting and break-up of the African and Arabian plates, the SM is characterized by a young and complex tectonic history. Resulting from the time thermal diffusion needs to pass through the lithosphere, on the order of several tens-of-millions of years (e.g., Fowler, 1990); qs-values of the area reflect conditions of pre-Oligocene times. The thermal structure of the lithosphere beneath the SM in general, and south-central Israel in particular, has remained poorly understood. To address this problem, the two parameters needed for the qs determination were investigated. Temperature measurements were made at ten pre-existing oil and water exploration wells, and the thermal conductivity of 240 drill core and outcrop samples was measured in the lab. The thermal conductivity is the sensitive parameter in this determination. Lab measurements were performed on both, dry and water-saturated samples, which is labor- and time-consuming. Another possibility is the measurement of thermal conductivity in dry state and the conversion to a saturated value by using mean model approaches. The availability of a voluminous and diverse dataset of thermal conductivity values in this study allowed (1) in connection with the temperature gradient to calculate new reliable qs values and to use them to model the thermal pattern of the crust in south-central Israel, prior to young tectonic events, and (2) in connection with comparable datasets, controlling the quality of different mean model approaches for indirect determination of bulk thermal conductivity (BTC) of rocks. The reliability of numerically derived BTC values appears to vary between different mean models, and is also strongly dependent upon sample lithology. Yet, correction algorithms may significantly reduce the mismatch between measured and calculated conductivity values based on the different mean models. Furthermore, the dataset allowed the derivation of lithotype-specific conversion equations to calculate the water-saturated BTC directly from data of dry-measured BTC and porosity (e.g., well log derived porosity) with no use of any mean model and thus provide a suitable tool for fast analysis of large datasets. The results of the study indicate that the qs in the study area is significantly higher than previously assumed. The new presented qs values range between 50 and 62 mW m⁻². A weak trend of decreasing heat flow can be identified from the east to the west (55-50 mW m⁻²), and an increase from the Dead Sea Basin to the south (55-62 mW m⁻²). The observed range can be explained by variation in the composition (heat production) of the upper crust, accompanied by more systematic spatial changes in its thickness. The new qs data then can be used, in conjunction with petrophysical data and information on the structure and composition of the lithosphere, to adjust a model of the pre-Oligocene thermal state of the crust in south-central Israel. The 2-D steady-state temperature model was calculated along an E-W traverse based on the DESIRE seismic profile (Mechie et al., 2009). The model comprises the entire lithosphere down to the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) involving the most recent knowledge of the lithosphere in pre-Oligocene time, i.e., prior to the onset of rifting and plume-related lithospheric thermal perturbations. The adjustment of modeled and measured qs allows conclusions about the pre-Oligocene LAB-depth. After the best fitting the most likely depth is 150 km which is consistent with estimations made in comparable regions of the Arabian Shield. It therefore comprises the first ever modelled pre-Oligocene LAB depth, and provides important clues on the thermal state of lithosphere before rifting. This, in turn, is vital for a better understanding of the (thermo)-dynamic processes associated with lithosphere extension and continental break-up.
N2  - Der Oberflächenwärmefluss (qs) ist maßgeblich für die Modellierung der thermischen Struktur der Lithosphäre. Änderungen im qs, innerhalb eines speziellen lithosphärischen Abschnitts, reflektieren direkt Änderungen in der krustalen Zusammensetzung und damit der radiogenen Wärmeproduktion (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster und Förster, 2000; Mareschal und Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok und Chapman, 2011) oder aber, weniger häufig, Änderungen im Mantelwärmefluss (e.g., Pollack und Chapman, 1977). Die Kenntnis dieses physikalischen Parameters ist daher von großem Interesse, sowohl für die Forschung als auch für die Energiewirtschaft. Die vorliegende Studie befasst sich mit dem qs von Süd- und Zentralisrael als Teil der Sinai Mikroplatte (SM), welche während des Riftings und Auseinanderbrechens der Afrikanischen und Arabischen Platte im Oligozän entstand und durch diese, sehr junge und komplexe tektonische Geschichte, geprägt ist. Die thermische Diffusion benötigt einige Zehner-Millionen Jahre (e.g., Fowler, 1990) um die Lithosphäre zu durchlaufen, qs-Werte der Region reflektieren daher prä-oligozäne Bedingungen. Die thermische Struktur der Lithosphäre in Süd- und Zentralisrael, ist bis heute nur sehr wenig verstanden. Um dieses Problem anzugehen wurden die Parameter die für die qs-Bestimmung benötigt werden, eingehend untersucht. An zehn ehemaligen Wasser- und Erdölexplorationsbohrungen wurden neue Temperaturmessungen durchgeführt, und die Wärmeleitfähigkeit von 240 Bohrkern- und Aufschlussproben wurde im Labor gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit ist in der qs-Bestimmung der sensitive Parameter. Die Labormessungen wurden sowohl an trockenen sowie an wasser-gesättigten Proben durchgeführt, was personal-und zeitaufwendig ist. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand und das Konvertieren zu einem saturierten Wert unter der Verwendung von Mischungsgesetzen. Das Vorhandensein eines umfangreichen und sehr diversen Wärmeleitfähigkeit-Datensatzes ermöglicht (1) in Verbindung mit dem Temperaturgradienten die Berechnung von neuen zuverlässigen qs-Werten sowie deren Verwendung zur Modellierung der thermischen Struktur der prä-oligozänen Kruste in Israel und (2) in Verbindung mit vergleichbaren Datensätzen, die vorhandenen Mischungsgesetzte zur indirekten Bestimmung der saturierten Gesamtwärmeleitfähigkeit (BTC) qualitativ zu überprüfen. Die Zuverlässigkeit numerisch bestimmter BTC-Werte variiert für die verschiedenen Mischungsgesetze und ist darüber hinaus stark von der Lithologie der Proben abhängig. Mittels spezifischer Korrekturgleichungen können Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten jedoch erheblich reduziert werden. Die Datenanzahl und die statistische Analyse ermöglichte darüber hinaus die Ableitung von lithotypspezifischen Konvertierungsgleichungen, um die saturierte BTC anhand von trocken gemessenen BTC- und Porositätswerten (z.B. aus Logs) zu berechnen. Dieser Ansatz führt, für alle Lithotypen, zu einer guten Reproduzierbarkeit gemessener Werte und ist daher eine nützliche Alternative, wann immer große Probenmengen behandelt werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der qs im Untersuchungsgebiet signifikant höher ist, als bisher angenommen. Die qs-Werte, die in dieser Studie für Israel bestimmt wurden, schwanken zwischen 50 und 62 mW m⁻². Ein schwacher Trend abnehmender Werte von Ost nach West (55-50 mW m⁻²), und ein leichter Trend ansteigender Werte vom Toten Meer nach Süden (55-62 mW m⁻²) können identifiziert werden. Diese beobachteten Schwankungen lassen sich mit Variationen in der krustalen Zusammensetzung (Wärmeproduktion) erklären, einhergehend mit regionalen Änderungen der Krustenmächtigkeit. Die neuen qs-Daten können dann, im Zusammenhang mit petrophysikalischen Daten und Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Lithosphäre, verwendet werden um ein Model des prä-oligozänen thermischen Zustandes der Kruste Zentral- und Südisraels abzugleichen. Das stationäre 2-D Temperatur-Modell wurde entlang einer E-W Traverse, basierend auf dem seismischen DESIRE-Profil (Mechie et al., 2009), berechnet. Es reicht bis zur Lithosphären–Asthenosphären Grenze (LAB) und bezieht sich auf das aktuellste Wissen über die prä-oligozäne Lithosphäre, also vor dem Einsetzen von Rifting und plumebedingten thermischen Störungen. Durch den Abgleich zwischen gemessenen und modellierten qs-Werten ist es möglich auf die prä-oligozäne LAB-Tiefe zurückzuschließen. Als wahrscheinlichste Tiefe ergeben sich 150 km, was konsistent ist mit LAB-Tiefen Abschätzungen aus vergleichbaren stabilen Regionen des Arabischen Schildes. Dies liefert wichtige Anhaltspunkte über den thermischen Zustand der Lithosphäre vor dem Einsetzen von Rifting in der Region und ist wiederum entscheidend für ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse in Assoziation mit Extension der Lithosphäre und dem kontinentalem Auseinanderbrechen.
KW  - Oberflächenwärmefluß
KW  - thermisches Modell
KW  - Lithosphäre
KW  - Arabische Platte
KW  - surface heat flow
KW  - thermal model
KW  - lithosphere
KW  - Arabian Plate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69622
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rivera Villarreyes, Carlos Andres
T1  - Cosmic-ray neutron sensing for soil moisture measurements in cropped fields
T1  - Bodenfeuchtemessungen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen mittels kosmischer Neutronenstrahlung
N2  - This cumulative dissertation explored the use of the detection of natural background of fast neutrons, the so-called cosmic-ray neutron sensing (CRS) approach to measure field-scale soil moisture in cropped fields. Primary cosmic rays penetrate the top atmosphere and interact with atmospheric particles. Such interaction results on a cascade of high-energy neutrons, which continue traveling through the atmospheric column. Finally, neutrons penetrate the soil surface and a second cascade is produced with the so-called secondary cosmic-ray neutrons (fast neutrons). Partly, fast neutrons are absorbed by hydrogen (soil moisture). Remaining neutrons scatter back to the atmosphere, where its flux is inversely correlated to the soil moisture content, therefore allowing a non-invasive indirect measurement of soil moisture. The CRS methodology is mainly evaluated based on a field study carried out on a farmland in Potsdam (Brandenburg, Germany) along three crop seasons with corn, sunflower and winter rye; a bare soil period; and two winter periods. Also, field monitoring was carried out in the Schaefertal catchment (Harz, Germany) for long-term testing of CRS against ancillary data. In the first experimental site, the CRS method was calibrated and validated using different approaches of soil moisture measurements. In a period with corn, soil moisture measurement at the local scale was performed at near-surface only, and in subsequent periods (sunflower and winter rye) sensors were placed in three depths (5 cm, 20 cm and 40 cm). The direct transfer of CRS calibration parameters between two vegetation periods led to a large overestimation of soil moisture by the CRS. Part of this soil moisture overestimation was attributed to an underestimation of the CRS observation depth during the corn period ( 5-10 cm), which was later recalculated to values between 20-40 cm in other crop periods (sunflower and winter rye). According to results from these monitoring periods with different crops, vegetation played an important role on the CRS measurements. Water contained also in crop biomass, above and below ground, produces important neutron moderation. This effect was accounted for by a simple model for neutron corrections due to vegetation. It followed crop development and reduced overall CRS soil moisture error for periods of sunflower and winter rye. In Potsdam farmland also inversely-estimated soil hydraulic parameters were determined at the field scale, using CRS soil moisture from the sunflower period. A modelling framework coupling HYDRUS-1D and PEST was applied. Subsequently, field-scale soil hydraulic properties were compared against local scale soil properties (modelling and measurements). Successful results were obtained here, despite large difference in support volume. Simple modelling framework emphasizes future research directions with CRS soil moisture to parameterize field scale models. In Schaefertal catchment, CRS measurements were verified using precipitation and evapotranspiration data. At the monthly resolution, CRS soil water storage was well correlated to these two weather variables. Also clearly, water balance could not be closed due to missing information from other compartments such as groundwater, catchment discharge, etc. In the catchment, the snow influence to natural neutrons was also evaluated. As also observed in Potsdam farmland, CRS signal was strongly influenced by snow fall and snow accumulation. A simple strategy to measure snow was presented for Schaefertal case. Concluding remarks of this dissertation showed that (a) the cosmic-ray neutron sensing (CRS) has a strong potential to provide feasible measurement of mean soil moisture at the field scale in cropped fields; (b) CRS soil moisture is strongly influenced by other environmental water pools such as vegetation and snow, therefore these should be considered in analysis; (c) CRS water storage can be used for soil hydrology modelling for determination of soil hydraulic parameters; and (d) CRS approach has strong potential for long term monitoring of soil moisture and for addressing studies of water balance.
N2  - In dieser kumulativen Dissertation wird die Detektion des natürlichen Hintergrunds von schnellen Neutronen, das sogenannte “Cosmic-Ray Neutron Sensing” (CRS), zur Messung von Bodenfeuchte auf der Feldskala in landwirtschaftlich genutzten Flächen untersucht. Die kosmische Primärstrahlung durchdringt die oberste Atmosphäre, und interagiert mit atmosphärischen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen entstehen Kaskaden hochenergetischer Teilchen die bis in die Erdoberfläche eindringen, wobei schnelle Neutronen entstehen. Teilweise werden diese durch Wasserstoff (Bodenfeuchte) absorbiert, teilweise zurück in die Atmosphäre gestreut. Dieser Neutronenfluss über dem Boden korreliert invers mit der Bodenfeuchte, was so eine non-invasive und indirekte Bodenfeuchteschätzung ermöglicht. Die CRS-Methode wird vor allem in einer Feldstudie auf einem Ackerland in Potsdam (Brandenburg, Deutschland), einschließlich dreier Phasen mit Anbau von Mais, Sonnenblume und Winterroggen getestet und beurteilt. Darüber hinaus wurde ein Feldmonitoring im Schäfertaleinzugsgebiet (Harz, Deutschland) durchgeführt, um das Potential von Langzeit-CRS-Messungen gegenüber herkömmlich erhobenen bodenhydraulischen Daten abzuschätzen. Im ersten Untersuchungsgebiet wurde die CRS-Methode kalibriert und mittels verschiedener Bodenfeuchtemessansätze validiert. In der Maisanbauphase wurden die Bodenfeuchte-Punktmessungen zunächst nur an der nahen Bodenoberfläche durchgeführt. In den folgendenen Anbauphasen (Sonnenblume und Winterroggen) wurden dann die Sensoren in drei unterschiedlichen Tiefen (5 cm, 20 cm und 40 cm) installiert. Die direkte Übertragung der CRS-Kalibrierparameter zwischen zwei Vegetationsperioden führte zu einer starken Überschätzung der CRS-Bodenfeuchte. Ein Teil der überschätzten Bodenfeuchte wurde der Unterschätzung der CRS-Beobachtungstiefe während der Maisperiode (5-10 cm) zugeschrieben, welche später basierend auf Werten zwischen 20-40 cm in anderen Anbauperioden (Sonnenblume und Winterroggen) neuberechnet wurde. Gemäß der Ergebnisse dieser Beobachtungsperioden mit verschiedenen Feldfrüchten, spielte die Vegetation eine wichtige Rolle für die CRS-Messungen, da das Wasser, das in der über- und unterirdischen Biomasse vorhanden ist, die Neutronen bedeutend abdämpft. Dieser Effekt, sowie der Einfluss des Getreidewachstums und des reduzierten Gesamt-CRS-Bodenfeuchte-Fehlers, wurden in ein einfaches Model zur vegetationsbedingten Neutronenkorrektur berücksichtigt. So wurde ein gekoppelter HYDRUS-1D- und PEST-Ansatz angewendet, um bodenhydraulische Parameter auf dem Feldmassstab während der Sonnenblumen-Phase invers abzuschätzen. Dann wurden die inversen Schätzungen der effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften innerhalb des von CRS beobachteten Volumens durch die lokalen Bodeneigenschaften (Modellierung und Messungen) validiert. Abgesehen von Unterschieden auf Grund der Beobachtungstiefe und somit des Volumens, wurden hierbei erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Dieser einfache Ansatz unterstreicht das zukünftige Forschungspotential, z.B. um mit Hilfe von Bodenfeuchten aus CRS-Messungen Modelle auf der Feldskala zu parametrisieren. Im Schäfertaleinzugsgebiet wurden die Langzeit-CRS-Messungen mit Nie-derschlags- und Evapotranspirations-Raten abgeglichen. Bei einer monatlichen Auflösung korrelierte die Änderung des CRS-Bodenwasserspeichers mit diesen beiden Wettervariablen. Die Wasserbilanz konnte jedoch auf Grund fehlender Informationen bezüglich Grundwasser, Abfluss des Einzugesgebiets, etc. nicht geschlossen werden. Darüber hinaus wurde, wie auch am Potsdamer Standort, festgestellt, dass das CRS-Signal stark von Schneefall und Schneeakkumulationen beeinflusst wird. Eine einfache Anwendung zur Schneemessung mittels CRS wurde für den Schäfertalfall vorgestellt. Abschließend zeigte sich, dass (a) „Cosmic-Ray Neutron Sensing“ (CRS) ein großes Potential hat, Messungen der mittleren Bodenfeuchte auf der Feldskala im Bereich landwirtschaftlich genutzter Flächen zu realisieren; (b) die CRS-Bodenfeuchte stark durch andere Wasserspeicher, wie Vegetation und Schnee beeinflusst wird, und dies im Rahmen von Analysen berücksichtigt werden sollte; (c) die CRS-Messungen über eine bodenhydraulische Modellierung zur Bestimmung von bodenhydraulischen Paramtern genutzt werden kann; und (d) der CRS-Ansatz ein großes Potential für Langzeit-Bodenfeuchte-Monitoring und für Wasserbilanzstudien hat.
KW  - CRS
KW  - kosmische Neutronenstrahlung
KW  - Bodenfeuchte
KW  - Feld
KW  - cosmic-ray
KW  - neutron field
KW  - soil moisture
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69748
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thomas, Björn Daniel
T1  - Analysis and management of low flows in small catchments of Brandenburg, Germany
T1  - Analyse und Management von Niedrigwasserabflüssen in kleinen Flusseinzugsgebieten Brandenburgs
N2  - Water management and environmental protection is vulnerable to extreme low flows during streamflow droughts. During the last decades, in most rivers of Central Europe summer runoff and low flows have decreased. Discharge projections agree that future decrease in runoff is likely for catchments in Brandenburg, Germany. Depending on the first-order controls on low flows, different adaption measures are expected to be appropriate. Small catchments were analyzed because they are expected to be more vulnerable to a changing climate than larger rivers. They are mainly headwater catchments with smaller ground water storage. Local characteristics are more important at this scale and can increase vulnerability. This thesis mutually evaluates potential adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg, Germany, and similarities of these catchments regarding low flows. The following guiding questions are addressed: (i) Which first-order controls on low flows and related time scales exist? (ii) Which are the differences between small catchments regarding low flow vulnerability? (iii) Which adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg are appropriate considering regional low flow patterns? Potential adaption measures to sustain minimum runoff during periods of low flows can be classified into three categories: (i) increase of groundwater recharge and subsequent baseflow by land use change, land management and artificial ground water recharge, (ii) increase of water storage with regulated outflow by reservoirs, lakes and wetland water management and (iii) regional low flow patterns have to be considered during planning of measures with multiple purposes (urban water management, waste water recycling and inter-basin water transfer). The question remained whether water management of areas with shallow groundwater tables can efficiently sustain minimum runoff. Exemplary, water management scenarios of a ditch irrigated area were evaluated using the model Hydrus-2D. Increasing antecedent water levels and stopping ditch irrigation during periods of low flows increased fluxes from the pasture to the stream, but storage was depleted faster during the summer months due to higher evapotranspiration. Fluxes from this approx. 1 km long pasture with an area of approx. 13 ha ranged from 0.3 to 0.7 l\s depending on scenario. This demonstrates that numerous of such small decentralized measures are necessary to sustain minimum runoff in meso-scale catchments. Differences in the low flow risk of catchments and meteorological low flow predictors were analyzed. A principal component analysis was applied on daily discharge of 37 catchments between 1991 and 2006. Flows decreased more in Southeast Brandenburg according to meteorological forcing. Low flow risk was highest in a region east of Berlin because of intersection of a more continental climate and the specific geohydrology. In these catchments, flows decreased faster during summer and the low flow period was prolonged. A non-linear support vector machine regression was applied to iteratively select meteorological predictors for annual 30-day minimum runoff in 16 catchments between 1965 and 2006. The potential evapotranspiration sum of the previous 48 months was the most important predictor (r²=0.28). The potential evapotranspiration of the previous 3 months and the precipitation of the previous 3 months and last year increased model performance (r²=0.49, including all four predictors). Model performance was higher for catchments with low yield and more damped runoff. In catchments with high low flow risk, explanatory power of long term potential evapotranspiration was high. Catchments with a high low flow risk as well as catchments with a considerable decrease in flows in southeast Brandenburg have the highest demand for adaption. Measures increasing groundwater recharge are to be preferred. Catchments with high low flow risk showed relatively deep and decreasing groundwater heads allowing increased groundwater recharge at recharge areas with higher altitude away from the streams. Low flows are expected to stay low or decrease even further because long term potential evapotranspiration was the most important low flow predictor and is projected to increase during climate change. Differences in low flow risk and runoff dynamics between catchments have to be considered for management and planning of measures which do not only have the task to sustain minimum runoff.
N2  - Sowohl Gewässermanagement als auch die Gewässerökologie können durch extreme Niedrigwasserereignisse stark betroffen sein. In den letzten Jahrzehnten haben sowohl der Abfluss während der Sommermonate als auch die Niedrigwasserabflüsse in den meisten Flüssen Zentraleuropas abgenommen. Projektionen des zukünftigen Abflusses lassen einen weiteren Rückgang der Abflüsse aus Einzugsgebieten Brandenburgs erwarten. Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen müssen den hydrologischen Prozessen gerecht werden. In dieser Arbeit werden Kopfeinzugsgebiete mit kleineren Grundwasserspeichern betrachtet, weil sie anfälliger gegenüber dem Klimawandel erscheinen als größere. Lokale Gegebenheiten können darüber hinaus ihre Vulnerabilität erhöhen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse über die ähnlichkeit von kleinen Einzugsgebieten verwendet, um geeignete Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen herauszuarbeiten. Folgende Leitfragen werden bearbeitet: (i) Was sind die maßgeblichen Prozesse und Zeitskalen, die zu Niedrigwasserabflüssen führen? (ii) Wie unterscheiden sich die Einzugsgebiete bezüglich ihrer Vulnerabilität? (iii) Was sind geeignete Anpassungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der vorherrschenden Prozesse und ihrer räumlichen Muster? Mögliche Anpassungsmaßnahmen können in drei Kategorien unterteilt werden: (i) Landnutzungsänderungen, änderungen der Feldbewirtschaftung und künstliche Grundwasseranreicherung führen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung und somit des Basisabflusses. (ii) Talsperren, Seen, Teiche und ein entsprechendes Wassermanagement in Feuchtgebieten eignen sich zur Wasserspeicherung und regulierten Wasserabgabe. (iii) Maßnahmen bei deren Planung Wissen über Niedrigwasserabflüsse einfließen muss, aber die Stützung von Niedrigwasserabflüssen nicht die einzige Aufgabe ist (Siedlungswassermanagement, Abwassermanagement und Wasserüberleitungen zwischen Einzugsgebieten). Darüber hinaus wurde die Effektivität ufernaher Grundwasseranreicherung durch bestehende Bewässerungsgräben explizit an einem Standort unter Verwendung des Models Hydrus-2D quantifiziert. Hohe Wasserstände in den Gräben und das Unterbrechen der Wassereinleitung führten zu einer Niedrigwasseraufhöhung. Im Sommer wurde der Wasserspeicher wegen der Verdunstung schneller verbraucht. Je nach Szenario betrug die Niedrigwasseraufhöhung, die von der ca. 1 km langen und 13 ha großen Fläche ausging, zwischen 0.3 und 0.7 l/s. Eine Vielzahl solcher dezentraler Maßnahmen wären für eine deutliche Stützung der Niedrigwasserabflüsse in mesoskaligen Einzugsgebieten notwendig. Das Niedrigwasserrisiko sowie meteorologische Niedrigwasserprädiktoren wurden vergleichend analysiert. Der tägliche Abfluss aus 37 Einzugsgebieten zwischen 1991 und 2006 wurde mittels einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Der Abfluss in Südost Brandenburg ging klimabedingt stärker zurück. Das Niedrigwasserrisiko war in der Region östlich Berlins als Folge des kontinentaleren Klimas und der lokalen geohydrologischen Verhältnisse am größten. Diese Einzugsgebiete zeigten einen relativ schnellen Abflussrückgang während der Sommermonate und eine längere Niedrigwasserperiode. Darüber hinaus wurde eine nichtlineare Support Vektor Machine Regression zur iterativen Bestimmung der meteorologischen Prädiktoren für den jährlichen Niedrigwasserabfluss im 30-Tage Mittel in 16 Einzugsgebieten zwischen 1965 und 2006 durchgeführt. Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 48 Monate war der wichtigste Prädiktor (r²=0.28). Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 3 Monate sowie die Niederschlagshöhe der vorhergegangenen 3 Monate und des letzten Jahres verbesserten die Modellgüte zusätzlich (r²=0.49, für alle vier Prädiktoren). Die Modellgüte war höher in Einzugsgebieten mit geringer Abflussspende und gedämpftem Abflussverhalten. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko war die potentielle Langzeitverdunstung wichtiger, um Niedrigwasserabflüsse zu erklären. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko östlich von Berlin und deutlichem Abflussrückgang im Südosten Brandenburgs besteht der höchste Anpassungsbedarf. Maßnahmen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung sollten bevorzugt werden. Einzugsgebiete mit hohem Niedrigwasserrisiko haben verhältnismäßig tiefe Grundwasserstände, was eine Erhöhung der Grundwasserneubildung in den höher gelegenen Neubildungsgebieten möglich und sinnvoll macht. Es ist davon auszugehen, dass Niedrigwasserabflüsse weiterhin niedrig bleiben oder sogar weiter fallen werden, da die potentielle Langzeitverdunstung der wichtigste Prädiktor war und Klimamodelle einen weiteren Anstieg dieser projizieren. Des Weiteren sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die integrierte Planung von Maßnahmen, die nicht ausschließlich die Stützung von Niedrigwasserabflüssen zur Aufgabe haben.
KW  - regionale Hydrologie
KW  - Niedrigwasser
KW  - Einzugsgebietsklassifizierung
KW  - multivariate Statistik
KW  - Datenanalyse
KW  - landscape hydrology
KW  - low flow
KW  - catchment classification
KW  - multivariate statistics
KW  - data analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69247
ER  - 
TY  - THES
A1  - Macaulay, Euan Angus
T1  - The orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan
T1  - Haben die letzten kaenozoischen klimatischen Verӓnderungen zu erhӧhten Abtragungen im kirgisischen Tien Shan geführt?
N2  - Intra-continental mountain belts typically form as a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, each mountain belt has a distinctive morphology and orogenic evolution that is highly dependent on the unique distribution and geometries of inherited structures and other crustal weaknesses. In this thesis, I have investigated the complex and irregular Cenozoic orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan in Central Asia, which is presently one of the most active intra-continental mountain belts in the world. This work involved combining a broad array of datasets, including thermochronologic, magnetostratigraphic, sediment provenance and stable isotope data, to identify and date various changes in tectonic deformation, climate and surface processes. Many of these changes are linked and can ultimately be related to regional-scale processes that altered the orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan. The Central Kyrgyz Tien Shan contains a sub-parallel series of structures that were reactivated in the late Cenozoic in response to the tectonic forces associated with the distant India-Eurasia collision. Over time, slip on the various reactivated structures created the succession of mountain ranges and intermontane basins which characterises the modern morphology of the region. In this thesis, new quantitative constraints on the exhumation histories of several mountain ranges have been obtained by using low temperature thermochronological data from 95 samples (zircon (U-Th)/He, apatite fission track and (U-Th)/He). Time-temperature histories derived by modelling the thermochronologic data of individual samples identify at least two stages of Cenozoic cooling in most of the region’s mountain ranges: (1) initially low cooling rates (<1°C/Myr) during the tectonic quiescent period and (2) increased cooling in the late Cenozoic, which occurred diachronously and with variable magnitude in different ranges. This second cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation, and in many of the sampled mountain ranges, provides the first available constraints on the timing of late Cenozoic deformation. New constraints on the timing of deformation have also been derived from the sedimentary record of intermontane basins. In the intermontane Issyk Kul basin, new magnetostratigraphic data from two sedimentary sections suggests that deposition of the first Cenozoic syn-tectonic sediments commenced at ~26 Ma. Zircon U-Pb provenance data, paleocurrent and conglomerate clast analysis reveals that these sediments were sourced from the Terskey Range to the south of the basin, suggesting that the onset of the late Cenozoic deformation occurred >26 Ma in that particular range. Elsewhere, growth strata relationships are used to identify syn-tecotnic deposition and constrain the timing of nearby deformation. Collectively, these new constraints obtained from thermochronologic and sedimentary data have allowed me to infer the spatiotemporal distribution of deformation in a transect through the Central Kyrgyz Tien Shan, and determine the order in which mountain ranges started deforming. These data suggest that deformation began in a few widely-spaced mountain ranges in the late Oligocene and early Miocene. Typically, these earlier mountain ranges are bounded on at least one side by a reactivated structure, which probably corresponds to the frictionally weakest and most suitably orientated inherited structures for accommodating the roughly north-south directed horizontal crustal shortening of the late Cenozoic. Moreover, tectonically-induced rock uplift in the Terskey Range, following the reactivation of the bounding structure before 26 Ma, likely caused significant surface uplift across the range, which in turn lead to enhanced orographic precipitation. These wetter conditions have been inferred from stable isotope data collected in the two magnetostratigraphically-dated sections in the Issyk Kul basin. Subsequently, in the late Miocene (~12‒5 Ma), more mountain ranges and inherited structures appear to have started actively deforming. Importantly, the onset of deformation at these locations in the late Miocene coincides with an increase in exhumation of ranges that had started deforming earlier in the late Oligocene‒early Miocene. Based on this observation, I have suggested that there must have been an overall increase in the rate of horizontal crustal shortening across the Central Kyrgyz Tien Shan, which likely relates to regional tectonic changes that affected much of Central Asia. Many of the mountain ranges that started deforming in the late Miocene were associated with out-of-sequence tectonic reactivation and initiation, which lead to the partitioning of larger intermontane basins. Moreover, within most of the intermontane basins in the Central Kyrgyz Tien Shan, this inferred late Miocene increase in horizontal crustal shortening occurs roughly at the same time as an increase in sedimentation rates and a significant change sediment composition. Therefore, I have suggested that the overall magnitude of deformational processes increased in the late Miocene, promoting more flexural subsidence in the intermontane basins of the Central Kyrgyz Tien Shan.
N2  - Intrakontinentale Gebirge sind typischerweise das Ergebnis tektonischer Kräfte, die auf entfernte Plattenkollisionen beruhen. Im Allgemeinen hat jedes Gebirge sein charakteristisches morphologisches Erscheinungsbild und seine eigene und einzigartige Entstehungsgeschichte, die zum Großteil von der Verteilung und der Geometrie vorgeprägter Strukturen und anderer Schwächzonen innerhalb der Erdkruste abhängt. In der vorliegenden Arbeit habe ich die komplexe känozoische Gebirgsbildung des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges, eines der weltweit aktivsten intrakontinentalen Gebirge, untersucht. Diese Arbeit kombiniert verschiedenste Datensätze, darunter thermochronologische und magnetostratigraphische Daten, Sedimentprovenienzen und stabile Isotopenzusammensetzungen, um Änderungen der tektonischen Deformationsprozesse sowie Klima- und Oberflächenveränderungen zu erkennen und gegebenenfalls zu datieren. Viele dieser Veränderungen sind eng miteinander verknüpft und können letztendlich auf regionale Prozesse zurückgeführt werden, die die Entwicklung des zentral-kirgisischen Tian Shan beeinflussen. Das Tian Shan Gebirge besteht aus einer subparallelen Folge einzelner Gebirgsrücken und deren Strukturen, welche im späten Känozoikum als Reaktion auf die entfernt stattfindende Indo-Eurasische Kollision reaktiviert wurden. Im Laufe der Zeit haben Deformation und Versatz entlang dieser reaktivierten Strukturen eine Abfolge von individuellen Gebirgszügen und dazwischen liegenden Sedimentbecken geschaffen deren Morphologie prägend für die heutige Region ist. In dieser Arbeit wurden neue quantitative Altersbestimmungen zur Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge durch thermochronologische Auswertungen an 95 Gesteinsproben durchgeführt (ZHe, AFT und AHe). Die aus Modellierungen einzelner thermochronologischer Datensätze gewonnenen Temperaturgeschichten lassen für die meisten untersuchten Gebirgszüge mindestens zwei Abschnitte känozoischer Abkühlung erkennen: (1) anfänglich niedrige Abkühlungsraten (<1°C/Myr) während einer tektonische Ruhephase und (2) stärkere Abkühlung im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzt. Diese zweite Abkühlungsphase kann durch einen Anstieg der Erosionsraten durch aktive Deformation interpretiert werden und stellt für viele der untersuchten Gebirgszüge die erste verfügbare Alterabschätzung spätkänozoischer Deformation dar. Neue Deformationsalter wurden weiterhin aus den Sedimenten intermontaner Becken gewonnen. Im intermontanen Issyk Kul Becken lassen neue magnetostratigraphische Daten zweier Sedimentabschnitte vermuten, dass die Ablagerung der ersten syntektonischen Sedimente im Känozoikum um ca. 26 Ma begann. Weiterhin zeigen Zirkon-Provenienzen, Paläoströmungsrichtungen sowie Klastenanalysen konglomeratischer Sedimente, dass diese Sedimente aus der Terskey Range südlich des Beckens stammen, was vermuten lässt, dass der Beginn der spätkänozoischen Deformation in diesem Teil des Gebirgszuges älter als 26 Ma ist. In anderen Bereichen wurden sedimentäre Wachstumsstrukturen zur Identifikation syntektonischer Ablagerung herangezogen, um somit den Zeitpunkt nahe gelegener Deformation zu bestimmen. Zusammengenommen haben meine Beobachtungen und Auswertungen ermöglicht, die räumlichen und zeitlichen Deformationsmuster quer durch das zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirge zu erschließen um eine zeitliche Abfolge in der Entstehung und Entwicklung einzelner Gebirgszüge zu entwickeln. Meine Daten lassen vermuten, dass die Deformation in einigen wenigen, weit auseinander liegenden Bergketten im Spätoligozän bis Frühmiozän begann. Typischerweise sind diese frühen Gebirgsketten auf mindestens einer Seite an eine reaktivierte Struktur gebunden. Diese sind die wahrscheinlich schwächsten oder am besten orientierten Strukturen, um die annähernd Nord-Süd gerichtete Einengung im späten Känozoikum aufzunehmen. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass die tektonische Gesteinshebung innerhalb der Terskey Range, entlang reaktivierter Störungen vor 26 Ma, eine signifikante Topographiezunahme zur Folge hatte. Dies führte höchstwahrscheinlich zur Ausbildung einer orographischen Barriere und der damit verbundenen Verstärkung der Regenfälle im Becken nördlich des Rückens. Diese Bedingungen konnten mithilfe stabiler Isotopenzusammensetzungen entlang der zwei magnetostratigraphisch datierten Sedimentprofile im Issyk Kul Becken nachgewiesen werden. Während des späten Miozäns (~12‒5 Ma) begann zeitnah die aktive Deformation und Heraushebung mehrerer neuer Gebirgsrücken. Wichtig dabei erscheint, dass der Zeitpunkt dieser spätmiozänen Deformation mit einem Exhumationsschub derer Gebirgszüge zusammenfällt, die schon viel früher (Spätoligozän bis Frühmiozän) mit der Deformation begannen. Aufgrund dieser Beobachtungen habe ich vorgeschlagen, dass es einen generellen Anstieg der Einengungsraten im Tian Shan gegeben haben muss, welcher auf regionale tektonische Veränderungen zurückzuführen ist die große Teile Zentralasiens betrafen. Viele der Gebirgsrücken, die initial im späten Miozän herausgehoben wurden, sind durch unsystematische, tektonische Prozesse der Reaktivierung und Initialisierung von Strukturen (out-of-sequence) entstanden, die zur Teilung vormals großer, zusammenhängender Sedimentbecken führte. Darüber hinaus weisen die meisten intermontanen Becken im zentral-kirgisischen Tian Shan, in etwa zur Zeit der beobachteten, verstärkten Einengung im Spätmiozän, ebenfalls erhöhte Sedimentationsraten und eine signifikante Änderung der Sedimentzusammensetzung. Daher vermute ich, dass die allgemeine Intensität der Deformation im Spätmiozän zunahm, was eine tektonische Absenkung (flexural subsidence) in den intermontane Becken des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges zur Folge hatte.
KW  - orogenic evolution
KW  - thermochronology
KW  - Tien Shan
KW  - tectonics
KW  - climate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68985
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlolaut, Gordon
T1  - Varve and event layer chronology of Lake Suigetsu (Japan) back to 40 kyr BP and contribution to the international consensus atmospheric radiocarbon calibration curve
T1  - Warven- und Ereignislagen-Chronologie der letzten 40 ka BP vom Suigetsu See (Japan) und Beitrag zur internationalen atmosphärischen Radiokarbon-Kalibrationskurve
N2  - The main intention of the PhD project was to create a varve chronology for the Suigetsu Varves 2006' (SG06) composite profile from Lake Suigetsu (Japan) by thin section microscopy. The chronology was not only to provide an age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed within the SG06 project, but also and foremost to contribute, in combination with the SG06 14C chronology, to the international atmospheric radiocarbon calibration curve (IntCal). The SG06 14C data are based on terrestrial leaf fossils and therefore record atmospheric 14C values directly, avoiding the corrections necessary for the reservoir ages of the marine datasets, which are currently used beyond the tree-ring limit in the IntCal09 dataset (Reimer et al., 2009). The SG06 project is a follow up of the SG93 project (Kitagawa & van der Plicht, 2000), which aimed to produce an atmospheric calibration dataset, too, but suffered from incomplete core recovery and varve count uncertainties. For the SG06 project the complete Lake Suigetsu sediment sequence was recovered continuously, leaving the task to produce an improved varve count. Varve counting was carried out using a dual method approach utilizing thin section microscopy and micro X-Ray Fluorescence (µXRF). The latter was carried out by Dr. Michael Marshall in cooperation with the PhD candidate. The varve count covers 19 m of composite core, which corresponds to the time frame from ≈10 to ≈40 kyr BP. The count result showed that seasonal layers did not form in every year. Hence, the varve counts from either method were incomplete. This rather common problem in varve counting is usually solved by manual varve interpolation. But manual interpolation often suffers from subjectivity. Furthermore, sedimentation rate estimates (which are the basis for interpolation) are generally derived from neighbouring, well varved intervals. This assumes that the sedimentation rates in neighbouring intervals are identical to those in the incompletely varved section, which is not necessarily true. To overcome these problems a novel interpolation method was devised. It is computer based and automated (i.e. avoids subjectivity and ensures reproducibility) and derives the sedimentation rate estimate directly from the incompletely varved interval by statistically analysing distances between successive seasonal layers. Therefore, the interpolation approach is also suitable for sediments which do not contain well varved intervals. Another benefit of the novel method is that it provides objective interpolation error estimates. Interpolation results from the two counting methods were combined and the resulting chronology compared to the 14C chronology from Lake Suigetsu, calibrated with the tree-ring derived section of IntCal09 (which is considered accurate). The varve and 14C chronology showed a high degree of similarity, demonstrating that the novel interpolation method produces reliable results. In order to constrain the uncertainties of the varve chronology, especially the cumulative error estimates, U-Th dated speleothem data were used by linking the low frequency 14C signal of Lake Suigetsu and the speleothems, increasing the accuracy and precision of the Suigetsu calibration dataset. The resulting chronology also represents the age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed in the SG06 project. One proxy analysed within the PhD project was the distribution of event layers, which are often representatives of past floods or earthquakes. A detailed microfacies analysis revealed three different types of event layers, two of which are described here for the first time for the Suigetsu sediment. The types are: matrix supported layers produced as result of subaqueous slope failures, turbidites produced as result of landslides and turbidites produced as result of flood events. The former two are likely to have been triggered by earthquakes. The vast majority of event layers was related to floods (362 out of 369), which allowed the construction of a respective chronology for the last 40 kyr. Flood frequencies were highly variable, reaching their greatest values during the global sea level low-stand of the Glacial, their lowest values during Heinrich Event 1. Typhoons affecting the region represent the most likely control on the flood frequency, especially during the Glacial. However, also local, non-climatic controls are suggested by the data. In summary, the work presented here expands and revises knowledge on the Lake Suigetsu sediment and enabls the construction of a far more precise varve chronology. The 14C calibration dataset is the first such derived from lacustrine sediments to be included into the (next) IntCal dataset. References: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
N2  - Die Hauptzielsetzung der Doktorarbeit war die Erstellung einer Warvenchronologie für das Kompositprofil der "Suigetsu Varves 2006" (SG06) Sedimentbohrung vom Suigetsu See durch Dünnschliffmikroskopie. Die Chronologie soll dabei nicht nur als Altersskala für die unterschiedlichen Proxies, die im Rahmen des SG06 Projekts bearbeitet werden, dienen, sondern in Kombination mit der SG06 14C Chronologie auch zur Verbesserung der internationalen Radiokarbon Kalibrationskurve (IntCal) beitragen. Da die SG06 14C Daten aus fossilen, in den See eingewehten Blättern gewonnen wurden, geben sie den 14C Gehalt der Atmosphäre direkt wieder. Das heißt, dass Korrekturen entfallen, wie sie bei den derzeit im IntCal09 Datensatz (Reimer et al., 2009) genutzten marinen 14C Daten notwendig sind. Das SG06 Projekt ist ein Folgeprojekt des SG93 Projekts (Kitagawa & van der Plicht, 2000), welches ebenfalls die Erstellung eines Kalibrationsdatensatzes zur Zielsetzung hatte. Allerdings war das Sedimentprofil der SG93 Bohrung unvollständig und die Warvenchronologie unzureichend genau. Im Rahmen des SG06 Projekts wurde die komplette Sedimentabfolge des Sees erbohrt, so dass die Erstellung einer verbesserten Warvenchronologie als Aufgabe verblieb. Für die Erstellung der Warvenchronologie kam neben Dünnschliffmikroskopie eine zweite, unabhängige Zähltechnik zum Einsatz, die Mikro-Röntgenfluoresenz (µXRF) Daten nutzt. Diese Zählung wurde von Dr. Michael Marshall in Zusammenarbeit mit dem Doktoranden erstellt. Insgesamt wurden in 19 m des SG06 Sedimentprofils Warven gezählt, was dem Zeitabschnitt zwischen ≈10 und ≈40 ka BP entspricht. Die Warvenzählung zeigte, dass sich nicht jedes Jahr saisonale Lagen ausgebildet hatten und die Zählungen von beiden Techniken damit unvollständig waren. Dieses Problem tritt bei Warvenzählungen häufiger auf und wird in der Regel durch manuelle Interpolation der fehlenden Lagen gelöst. Allerdings hat der manuelle Ansatz Schwächen. Zum einen kann es zu subjektiven Ungenauigkeiten kommen, zum anderen wird die durchschnittliche Sedimentationsrate (welche die Grundlage der Interpolation ist) in der Regel aus benachbarten, gut warvierten Bereichen abgeleitet. Das setzt jedoch voraus, dass die Sedimentationsrate in den benachbarten Intervallen identisch mit der im zu interpolierenden Bereich ist, was nicht zwingend der Fall ist. Um diese Probleme zu umgehen wurde für die vorliegende Arbeit eine neuartige Interpolationsmethode entwickelt. Diese ist computergestützt und automatisiert und Ergebnisse daher objektiv und reproduzierbar. Weiterhin wird die Sedimentationsrate direkt aus dem zu interpolierenden Bereich bestimmt, indem die Abstände der auftretenden saisonalen Lagen statistisch ausgewertet werden. Daher kann die Methode auch für Profile ohne gut warvierte Bereiche eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Interpolationsprogramms ist, dass ein objektiver Interpolationsfehlers berechnet wird. Die interpolierten Ergebnisse der beiden Zähltechniken wurden kombiniert und um nachzuweisen, dass es sich bei der resultierenden Chronologie um ein zuverlässiges Ergebnis handelt, wurde diese mit der mit IntCal09 kalibrierten 14C Chronologie vom Suigetsu See verglichen. Dabei wurde nur der Abschnitt berücksichtigt, in dem IntCal09 auf dendrologischen Daten beruht (bis 12,55 ka cal BP). Der Vergleich zeigte, dass die finale Warvenchronologie innerhalb des 68,2% Fehlerbereichs der 14C Datierungen lag. Das heißt, dass die Interpolationsmethode hinreichend genaue und zuverlässige Ergebnisse erzielt. Die Genauigkeit wurde weiter verbessert, indem die Chronologie mit U-Th Altern von Speläothemen modelliert wurde, wobei die tieffrequenten Signale der 14C Daten als Verbindung zwischen Suigetsu und den Speläothemen verwendet wurde, was die Konstruktion eines verbesserten Kalibrationdatensatzes erlaubte. Die modellierte Chronologie stellt dabei auch die Altersskale für die im SG06 Projekt analysierten Proxies dar. Ein Proxy der im Rahmen der Doktorarbeit untersucht wurde war die Verteilung von Ereignislagen. Diese sind in der Regel Anzeiger für Flutereignisse oder Erdbeben. Die mikrofazielle Untersuchung der Ereignislagen zeigte drei verschiedene Lagentypen auf, wobei zwei davon hier erstmals für den Suigetsu See beschrieben sind. Die Lagentypen sind: Matrix dominierte Lagen als Ergebnis von Seegrundrutschungen, Turbidite als Ergebnis von Hangrutschungen und Turbidite als Ergebnis von Flutereignissen. Die ersten beiden Lagentypen wurden vermutlich durch Erdbeben ausgelöst. Die große Mehrheit der Ereignislagen ist jedoch auf Flutereignisse zurückzuführen (362 von 369). Dies erlaubte die Rekonstruktion der Hochwasserhäufigkeit für die letzten 40 ka. Dabei zeigten sich starke Schwankungen über den analysierten Zeitraum. Die höchsten Werte wurden während des glazialen Meeresspiegelminimums erreicht während die niedrigsten Werte im Zusammenhang mit Heinrich Ereignis 1 auftraten, was vermutlich in erster Linie mit der Taifunhäufigkeit in der Region zusammenhängt. Allerdings zeigten die Daten auch Einflüsse von lokalen, nicht Klima getriebenen Prozessen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die hier vorliegende Arbeit die Kenntnisse über die Sedimente des Suigetsu Sees deutlich erweitert hat und die Revidierung einiger älterer Interpretationen nahe legt. Die verbesserte Warvenchronologie trug zu einem deutlich verbesserten Kalibrationsdatensatz bei. Dieser ist der erste aus lakustrinen Daten gewonnen Datensatz, der in den (kommenden) IntCal Datensatz eingearbeitet werden wird. Quellennachweis: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
KW  - Suigetsu
KW  - radiocarbon
KW  - floods
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69096
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baumann-Wilke, Maria
T1  - Combining body wave tomography, surface wave inversion, seismic interferometry and laboratory measurements to characterize the black shales on Bornholm at different scales
T1  - Anwendung von Raumwellentomographie, Inversion von Oberflächenwellen, seismischer Interferometrie und Labormessungen zur Charakterisierung der Schwarzschiefer auf Bornholm auf verschiedenen Skalen
N2  - Black shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used for comparative purposes. The seismic field data was analyzed with traveltime tomography, surface wave inversion and seismic interferometry to obtain the P-wave and S-wave velocity models of the subsurface. The P-wave velocity models which were determined for all three profiles clearly locate the Alum Shale layer between the Komstad Limestone layer on top and the Læså Sandstone Formation at the base of the models. The black shale layer has P-wave velocities around 3 km/s which are lower compared to the adjacent formations. Due to a very good agreement of the sonic log and the vertical velocity profiles of the two seismic lines, which are directly crossing the borehole where the sonic log was conducted, the reliability of the traveltime tomography is proven. A correlation of the seismic velocities with the content of organic carbon is an important task for the characterization of the reservoir properties of a black shale formation. It is not possible without calibration but in combination with a full 2D tomographic image of the subsurface it gives the subsurface distribution of the organic material. The S-wave model obtained with surface wave inversion of the vibroseis data of one of the profiles images the Alum Shale layer also very well with S-wave velocities around 2 km/s. Although individual 1D velocity models for each of the source positions were determined, the subsurface S-wave velocity distribution is very uniform with a good match between the single models. A really new approach described here is the application of seismic interferometry to a really small study area and a quite short time interval. Also new is the selective procedure of only using time windows with the best crosscorrelation signals to achieve the final interferograms. Due to the small scale of the interferometry even P-wave signals can be observed in the final crosscorrelations. In the laboratory measurements the seismic body waves were recorded for different pressure and temperature stages. Therefore, samples of different depths of the Alum Shale were available from one of the scientific boreholes at the study location. The measured velocities have a high variance with changing pressure or temperature. Recordings with wave propagation both parallel and perpendicular to the bedding of the samples reveal a great amount of anisotropy for the P-wave velocity, whereas the S-wave velocity is almost independent of the wave direction. The calculated velocity ratio is also highly anisotropic with very low values for the perpendicular samples and very high values for the parallel ones. Interestingly, the laboratory velocities of the perpendicular samples are comparable to the velocities of the field experiments indicating that the field measurements are sensitive to wave propagation in vertical direction. The velocity ratio is also calculated with the P-wave and S-wave velocity models of the field experiments. Again, the Alum Shale can be clearly separated from the adjacent formations because it shows overall very low vP/vS ratios around 1.4. The very low velocity ratio indicates the content of gas in the black shale formation. With the combination of all the different methods described here, a comprehensive interpretation of the seismic response of the black shale layer can be made and the hydrocarbon source rock potential can be estimated.
N2  - Schwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen an Bohrkernen aus dem Alaunschiefer durchgeführt. Die seismischen Messprofile befanden sich so nah wie möglich an zwei wissenschaftlichen Bohrungen, die für Vergleichszwecke genutzt wurden. Um die P- und S-Wellengeschwindigkeitsmodelle des Untergrundes zu erhalten wurden die seismischen Felddaten mittels Laufzeittomographie, Oberflächenwelleninversion und seismischer Interferometrie ausgewertet. Die P-Wellenmodelle, die für alle drei seismischen Profile erstellt wurden, zeigen den Alaunschiefer zwischen dem Komstad Kalkstein, der den Alaunschiefer überdeckt, und der Læså Sandsteinformation, die die Basis der Modelle bildet. Für die Schwarzschieferschicht ergeben sich mit rund 3 km/s deutlich geringere P-Wellengeschwindigkeiten als für die umgebenden Gesteine. Zwei seismische Profile liegen direkt an einer der Bohrungen, für die verschiedene Bohrloch-Logs durchgeführt wurden. Der Vergleich des Sonic-Logs mit den vertikalen Geschwindigkeitsprofilen beider Modelle am Bohrpunkt zeigt eine sehr gute übereinstimmung aller Geschwindigkeiten. Dies ist ein Indiz für die Plausibilität der durchgeführten Laufzeittomographie. Um die Reservoireigenschaften der Schwarzschieferschicht einordnen zu können, wurde versucht, die seismischen Geschwindigkeiten mit dem Gehalt an organischem Material zu korrelieren. Ohne geeignete Kalibrierung ist diese Korrelation schwierig, kann aber mit Hilfe der Tomographieergebnisse ein zweidimensionales Abbild der Verteilung des organischen Materials im Untergrund liefern. Auch das S-Wellengeschwindigkeitsmodell, welches mit der Oberflächenwelleninversion der Vibroseisdaten erstellt wurde, bildet den Alaunschiefer gut ab. Hierbei zeigen sich S-Wellengeschwindigkeiten um 2 km/s. Obwohl jeweils nur 1D-Modelle für jede Quellposition bestimmt wurden, ergibt sich für die gesamte Untergrundstruktur des untersuchten Profils ein einheitliches Bild der Geschwindigkeiten. Einen sehr neuen Ansatz bildet die Anwendung der seismischen Interferometrie auf ein sehr kleines Untersuchungsgebiet und über einen sehr kurzen Zeitraum. Neu ist außerdem, dass für die Bestimmung der endgültigen Interferogramme nur Zeitfenster der Kreuzkorrelationen ausgewählt werden, in denen die Signalqualität hinreichend gut ist. In den berechneten Kreuzkorrelationen sind sogar P-Wellen enthalten, was auf die geringen Abstände der seismischen Rekorder zurück zu führen ist. Bei den Labormessungen wurden die Raumwellen für verschiedene Drücke und Temperaturen aufgezeichnet. Die Messungen der Geschwindigkeiten sowohl parallel als auch senkrecht zur Schichtung der Proben zeigen eine starke Anisotropie für die P-Welle. Dagegen scheint die S-Wellengeschwindigkeit fast unabhängig von der Ausbreitungsrichtung der Wellen zu sein. Auch das Verhältnis der Geschwindigkeiten weist starke Anisotropie auf. Für die Wellenausbreitung senkrecht zur Schichtung zeigen sich sehr niedrige Werte, die Werte für die Messungen parallel zur Schichtung sind dagegen deutlich erhöht. Ein interessanter Aspekt der aus den Labormessungen resultiert ist, dass die Geschwindigkeit der Messungen senkrecht zur Schichtung mit den Geschwindigkeitswerten der Feldmessungen übereinstimmen. Damit scheinen die Feldmessungen besonders die Ausbreitung der Wellen in vertikaler Richtung zu registrieren. Das Geschwindigkeitsverhältnis wurde auch mit den P- und S-Wellenmodellen der Feldexperimente berechnet. Auch hier hebt sich der Alaunschiefer mit deutlich verringerten Werten um 1.4 vom Umgebungsgestein ab. Solch geringe Werte für das Verhältnis der Geschwindigkeiten deutet auf den Gehalt von Gas im Schwarzschiefer. Mit der Kombination der verschiedenen Methoden ist es möglich, die seismische Antwort der Schwarzschieferschicht umfassend zu beschreiben und Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, ob die hier untersuchte Schwarzschieferschicht das Potenzial hat als Kohlenwasserstofflagerstätte zu fungieren.
KW  - Seismische Tomographie
KW  - Seismische Interferometrie
KW  - Alaunschiefer
KW  - Seismische Geschwindigkeiten
KW  - seismic tomography
KW  - seismic interferometry
KW  - Alum shale
KW  - seismic velocities
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69007
ER  -